WO2007076847A2 - Halterung für werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden bearbeitung - Google Patents

Halterung für werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden bearbeitung Download PDF

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    • B23B2260/00—Details of constructional elements
    • B23B2260/108—Piezoelectric elements

Definitions

  • the invention relates to holders for tools for separating and / or machining. It can be used in classical mechanical engineering on machine tools, but also in other fields where, for example, a division or division of semi-finished or semi-finished products is to be performed.
  • brackets are used for the brackets, which are as rigid and stiff as possible and hold the tools accordingly.
  • Active can at least not be influenced sufficiently promptly during processing. It is therefore an object of the invention to propose solutions with which a cutting and / or cutting machining can be better influenced directly in the machining process.
  • At least one element is arranged or accommodated in a holder, with which changing paths, acting forces or moments can be detected and exerted on a tool.
  • the time derivatives of changing paths and / or forces, by establishing a temporal reference can be determined and taken into account.
  • the same element (s) are reacted, so that, for example, a compensation can be achieved.
  • This can, for example, influence the positioning of tools or reduce the noise emission.
  • the latter aspect can e.g. by influencing the excitation frequency for vibrations.
  • elements for the detection and other elements for the influence can also be present on a holder.
  • the elements to be used according to the invention can be combined with a multifunctional material be formed. You can be made entirely of such a material but only in parts with such a material.
  • An electrical contact should be provided if, for example, detected measured variables are to be transmitted to a machine control in order then to be able to regulate the machining process taking their consideration into consideration. However, such a contact can also be used to actively influence the clamping or holding the respective tool can.
  • Multifunctional materials can be piezoelectric, ferroelectric, magnetostrictive fluids or even shape memory materials, with which elements alone or in combination can also be used with other materials.
  • the first two types of materials are suitable for detection, as a sensitive function, and also for the active part.
  • the arrangement of elements can be chosen so that, for example, the holder for the tool forms an abutment.
  • At least one such element should be in direct contact with the tool.
  • shape memory material on one or more element (s) which changes its shape depending on the temperature sudden, this can be used to actively respond to exceeding a predetermined maximum temperature tool and / or holder to respond.
  • a state can also be detected by e.g. a contact is closed with an electrically conductive shape memory material during the change in shape and this can be transmitted as a corresponding signal to the machine control.
  • connection to an electronic controller preferably that of the respective machine, should be present in each case as far as possible.
  • Elements, but also modules formed with several elements for example, be designed as a hollow cylinder, which can then be pushed onto a drive shaft and fixed together with the tool of the holder. But this can also be achieved with annular elements.
  • a plurality of annular elements can be placed on a drive shaft and separated, for example with spacers from each other and kept at a distance to each other.
  • hollow cylinders, annular disks and circular disks can also be segmented, so that detection on and exercise of forces or moments in a preferred axial direction can take place.
  • Such segments can form a closed hollow cylinder but also separate individual segments, which are held in a suitable form at a distance from each other.
  • Circular disk-shaped or also formed as a circular disk segment elements can be arranged on end faces of tools or drive shafts to tion there, for example, between tool and holding tion as a result of the respective processing forces or moments to detect and close to the processing process sequence or actively influence the clamping position of the tool to be able to take relief.
  • the entire clamping force can be changed but also the clamping force effect can be varied in preferred axes if a plurality of elements are arranged in a suitable form.
  • the respective detected state can thus represent an image of the respective instantaneous process parameters resulting from time-varying forces and movements of tool and holder (clamping).
  • the condition of tools which can affect, for example, their clamping conditions or the wear of tools, can also be recorded and then taken into account.
  • Point of intervention of a tool which can then be corrected upon detection of a difference to a default or taken into account in the further control of the feed.
  • State variables can also be determined when a tool is not engaged, ie during "idling".
  • FIG. 1 shows an example of a holder according to the invention
  • FIG. 2 shows another example modified in comparison with the example according to FIG.
  • a holder 4 for a circular saw blade, as a tool 2 is present.
  • the circular saw blade 2 is fixed by means of a holder, which is formed from two individual elements which can be clamped together. These practice one Compressive force from both sides on the circular saw blade 2 off.
  • Holder 4 and circular saw blade 2 are mounted on a drive shaft 3 and rotate together about their axis of rotation.
  • a module 1 formed in the form of element 1 is added. This is hollow inside and also pushed onto the drive shaft.
  • the element 1 is at the radially outer periphery in touching contact with the inner bore of the circular saw blade 2, so that acting forces and / or moments in both directions, ie from the circular saw blade 2 to the element 1 or vice versa can be transmitted.
  • a contacting which is connected to an electronic control of a machine, is present on element 1 in a manner not shown.
  • elements 1 can form a module. This can, as explained in the general part of the description, be formed in different shapes, including several segments. These can be arranged distributed radially over the circumference or also in the direction of the longitudinal axis. However, it is also possible to embed elements 1 of a multifunctional material in a matrix of another material, which then should preferably be elastically deformable and only the task of positioning elements 1 in relation to holder 4 and tool 2, and optionally also that of an electrical insulation can take over.
  • the element 1 is supported on one side with one end face on the holder 4 and on the other end side on the circular saw blade 2, so that acting forces and also vibrations can be detected and exerted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Halterungen für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung. Sie kann im klassischen Maschinenbau an Werkzeugmaschinen, aber auch in anderen Gebieten eingesetzt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, Lösungen vorzuschlagen, mit denen eine spanende und/oder trennende Bearbeitung unmittelbar im Bearbeitungsprozess besser beeinflusst werden kann. An erfindungsgemäßen Halterungen ist dabei mindestens ein Element angeordnet oder in einer Halterung aufgenommen, mit dem sich ändernde Wege, wirkende Kräfte oder Momente detektiert und auf ein Werkzeug ausgeübt werden können. Außerdem können auch die zeitlichen Ableitungen sich ändernder Wege und/oder Kräfte, durch Herstellung eines zeitlichen Bezugs, bestimmt und berücksichtigt werden.

Description

Halterung für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung
Die Erfindung betrifft Halterungen für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung. Sie kann im klassischen Maschinenbau an Werkzeugmaschinen, a- ber auch in anderen Gebieten eingesetzt werden, bei denen beispielsweise eine Zerteilung oder Aufteilung von Halbfabrikaten oder Halbprodukten durchgeführt werden soll.
Üblicherweise werden solche Werkzeuge mit Antriebswellen in unterschiedlichster Form verbunden und dabei translatorisch und rotatorisch bewegt. Dabei kom- men für die Halterungen feste Einspannungen zum Einsatz, die so starr und steif, wie möglich ausgebildet sind und die Werkzeuge entsprechend halten.
Äußere Einflüsse bei der Bearbeitung von Werkstücken oder anderen Gegenständen, wie z.B. Schwingungen oder eine Eigendynamik von Werkzeugen werden fast nie berücksichtigt. Infolge dessen kommt es zu unerwünschten, nicht beeinflussbaren bzw. vorhersehbaren Beeinflussungen beim jeweiligen Prozess. Dies beeinträch- tigt die Präzision und Qualität bei der Bearbeitung negativ.
Erste Ansätze, um diesen Problemen entgegen zu treten wurden dabei unternommen, indem aerostatische Führun- gen, magnetische oder hydrostatische Führungen eingesetzt worden sind. Diese sind entweder selbst regelnd, geregelt oder müssen aufwendig gesteuert werden. Dabei muss eine hohe Zeitkonstante in Kauf genommen werden, die zu einer Verlängerung der Bearbei- tungszeiten oder Verringerung der Präzision zumindest lokal oder temporär führt. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Effizienz infolge erhöhter Energieverbräuche .
Es ist nicht möglich Bearbeitungsparameter oder Werkzeugzustände (insbesondere Schwingungen, und Werkzeug- oder Verschleiß in Führungen oder Halterungen) mit deren nachteiligen Wirkungen (Geräuschemission, Verschnitt, Qualität) unmittelbar am Werkzeugeingriff sowohl zu erfassen, wie auch zu beeinflussen. Werkzeug- und auch andere Bearbeitungsmaschinen können so mit ihrem Verhalten beim Betrieb nicht hinreichend beschrieben werden, was sich negativ auf ihre Dimensionierung, Optimierung, ihr Design und die Technolo- gie auswirkt. Dies trifft sinngemäß auch auf die jeweiligen Werkzeuge in Verbindung mit ihren Halterungen zu.
Aktiv kann zumindest nicht ausreichend zeitnah Ein- fluss bei der Bearbeitung genommen werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung Lösungen vorzuschlagen, mit denen eine spanende und/oder trennende Bearbeitung unmittelbar im Bearbeitungsprozess besser beeinflusst werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Halterungen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisen, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprü- chen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
An erfindungsgemäßen Halterungen ist dabei mindestens ein Element angeordnet oder in einer Halterung aufgenommen, mit dem sich ändernde Wege, wirkende Kräfte oder Momente detektiert und auf ein Werkzeug ausgeübt werden können. Außerdem können auch die zeitlichen Ableitungen sich ändernder Wege und/oder Kräfte, durch Herstellung eines zeitlichen Bezugs, bestimmt und berücksichtigt werden.
So wird mit mit einem oder mehreren solcher Elemente erfassten Kräften oder Momenten mit dem/den gleichen Element (en) reagiert, so dass beispielsweise eine Kompensation erreicht werden kann. Dies kann bei- spielsweise eine Beeinflussung der Positionierung von Werkzeugen oder die Reduzierung der Geräuschemission sein. Letztgenannter Aspekt kann z.B. durch eine Beeinflussung der Anregungsfrequenz für Schwingungen sein.
Es können aber auch an einer Halterung Elemente für die Detektion und andere Elemente für die Einfluss- nahme vorhanden sein.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Elemente können dementsprechend mit einem multifunktionalen Werkstoff gebildet sein. Sie können vollständig aus einem solchen Werkstoff aber auch nur in Teilen mit einem solchen Werkstoff gebildet sein. Eine elektrische Kon- taktierung sollte vorgesehen sein, wenn z.B. detek- tierte Messgrößen an eine Maschinensteuerung übertragen werden sollen, um dann den Bearbeitungsprozess unter deren Berücksichtigung regeln zu können. Eine solche Kontaktierung kann aber auch genutzt werden, um aktiv Einfluss auf die Einspannung oder Halterung des jeweiligen Werkzeuges nehmen zu können.
Multifunktionale Werkstoffe können dabei piezoelektrische, ferroelektrische, magnetostriktive Fluide o- der auch Formgedächtniswerkstoffe sein, mit denen E- lemente allein aber auch in Kombination auch mit anderen Werkstoffen genutzt werden können. Insbesondere die beiden erstgenannten Werkstoffarten sind für die Detektion, als sensitive Funktion, und auch für den aktiven Teil geeignet. So kann durch Anlegen von e- lektrischen Spannungen Einfluss auf solche Werkstoffe genommen werden, die zu gezielter Ausübung von Kräften oder auch Momenten an Halterung und auf Werkzeug führen können, da sie in diesen Fällen ihre äußere Gestalt oder Dimensionierung ändern können. Dabei kann die Anordnung von Elementen so gewählt werden, dass beispielsweise die Halterung für das Werkzeug ein Widerlager bildet.
Mit entsprechender Anordnung und Ausrichtung mehrerer solcher Elemente können unterschiedliche Kräfte und Momente detektiert oder auch ausgeübt werden. Sie können also in Abständen zueinander und/oder in unterschiedlicher Achsrichtung angeordnet oder aufgenommen sein.
Für eine zeitnahe aktive Einflussnahme oder Detektion sollte mindestens ein solches Element in unmittelbar berührendem Kontakt zum Werkzeug stehen.
Im Fall des Einsatzes von Formgedächtniswerkstoff an einem oder mehreren Element (en), der seine Gestalt temperaturabhängig sprunghaft ändert, kann dies genutzt werden, um aktiv auf eine Überschreitung einer vorgegebenen maximal Temperatur an Werkzeug und/oder Halterung, reagieren zu können. Dabei kann ein sol- eher Zustand auch detektiert werden, indem z.B. mit einem elektrisch leitenden Formgedächtniswerkstoff bei der Formänderung ein Kontakt geschlossen und dies als entsprechendes Signal an die Maschinensteuerung übertragen werden kann.
Eine Verbindung zu einer elektronischen Steuerung, bevorzugt der der jeweiligen Maschine sollte jedoch möglichst in jedem Fall vorhanden sein.
Mehrere Elemente können vorteilhaft auch zu einem Modul zusammengefasst sein, um insbesondere den erforderlichen Raumbedarf günstig beeinflussen zu können.
Elemente, aber auch mit mehreren Elementen gebildete Module können beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet sein, der dann auf eine Antriebswelle aufgeschoben und gemeinsam mit dem Werkzeug von der Halterung fixiert werden kann. Dies kann aber auch mit kreisringförmigen Elementen erreicht werden. Dabei können mehrere kreisringförmige Elemente auf eine Antriebswelle aufgesetzt und beispielsweise mit Distanzscheiben voneinander getrennt und im Abstand zueinander gehalten werden.
Hohlzylinder, Kreisringscheiben und Kreisscheiben können aber auch segmentiert werden, so dass Detekti- on und Ausübung von Kräften oder Momenten in einer bevorzugten Achsrichtung erfolgen kann. Solche Segmente können einen geschlossenen Hohlzylinder aber auch voneinander getrennte einzelne Segmente, die in geeigneter Form in einem Abstand voneinander gehalten sind, bilden.
Kreisscheibenförmig oder auch als Kreisscheibensegment ausgebildete Elemente können an Stirnseiten von Werkzeugen oder auch Antriebswellen angeordnet sein, um dort beispielsweise zwischen Werkzeug und Halte- rung infolge der jeweiligen Bearbeitung wirkende Kräfte oder Momente zu erfassen und auf den Bearbeitungsprozessablauf schließen oder aktiv Einfluss auf die Einspannungssituation des Werkzeuges in der HaI- terung nehmen zu können. So kann beispielsweise die gesamte Spannkraft verändert aber auch die Spannkraftwirkung in bevorzugten Achsen variiert werden, wenn mehrere Elemente in geeigneter Form angeordnet sind.
Mit der Erfindung können unterschiedliche auf ein Werkzeug einwirkende Einflüsse und seine Eigendynamik erkannt, berücksichtigt und ggf. dann gleich kompen- siert werden. Der jeweilige detektierte Zustand kann so ein Abbild der jeweiligen momentanen Prozessparameter darstellen, der sich durch zeitlich verändernde Kräfte und Bewegungen von Werkzeug und Halterung (Einspannung) ergibt. Auch der Zustand von Werkzeu- gen, was beispielsweise deren Einspannverhältnisse oder den Verschleiß von Werkzeugen betreffen kann, kann erfasst und dann auch berücksichtigt werden.
Mit der Erfindung kann ein direkter Zugang zu den je- weiligen und auch momentanen Prozessparametern bei der Bearbeitung erhalten werden. Dabei kann eine lo- kale auch dreidimensionale Zuordnung von Einflüssen und Einflussnahme durch eine der jeweiligen Applikation angepasste Anordnung von Elementen an einer HaI- terung mit Werkzeug oder auch einer Antriebswelle, erreicht werden. Dies betrifft auch den jeweiligen
Eingriffspunkt eines Werkzeuges, der dann bei Erkennung einer Differenz zu einer Vorgabe korrigiert oder bei der weiteren Steuerung des Vorschubes berücksichtigt werden kann.
Zustandsgrößen können auch bei nicht Eingriff eines Werkzeuges, also im „Leerlauf" ermittelt werden.
Durch den direkten Zugriff auf momentane Prozesspara- meter kann ein Einfluss direkt und mit äußerst kleiner Zeitkonstante im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ausgeübt werden. Dabei können u.a. Geräuschemission, Verschnitt und Schnittqualität detek- tiert und vorteilhaft beeinflusst werden.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Halte- rung und
Figur 2 ein weiteres gegenüber dem Beispiel nach Fi- gur 1 modifiziertes Beispiel.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist eine Halte- rung 4 für ein Kreissägeblatt, als Werkzeug 2 vorhanden. Dabei ist das Kreissägblatt 2 mittels einer HaI- terung fixiert, die aus zwei miteinender verspannbaren Einzelelementen gebildet ist. Diese üben eine Druckkraft von beiden Seiten auf das Kreissägeblatt 2 aus. Halterung 4 und Kreissägeblatt 2 sind auf eine Antriebswelle 3 aufgesetzt und rotieren gemeinsam um deren Drehachse. In der Halterung ist ein in Modul- form ausgebildetes Element 1 aufgenommen. Dieses ist innen hohl und ebenfalls auf die Antriebswelle aufgeschoben. Das Element 1 steht am radial äußeren Umfang in berührendem Kontakt mit der inneren Bohrung des Kreissägeblattes 2, so dass wirkende Kräfte und/oder Momente in beide Richtungen, also vom Kreissägeblatt 2 auf das Element 1 oder umgekehrt übertragen werden können. Hierzu ist am Element 1 in nicht dargestellter Form eine Kontaktierung, die mit einer elektronischen Steuerung einer Maschine verbunden ist, vorhan- den.
Ebenfalls nicht dargestellt ist, dass mehrere Elemente 1 ein Modul bilden können. Dieses kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, in un- terschiedlichen Formen, auch aus mehreren Segmenten, gebildet sein. Diese können radial über den Umfang oder auch in Richtung der Längsachse verteilt angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit E- lemente 1 aus einem multifunktionalen Werkstoff in eine Matrix eines anderen Werkstoffes einzubetten, der dann bevorzugt elastisch verformbar sein sollte und lediglich die Aufgabe der Positionierung von Elementen 1 in Bezug zu Halterung 4 und Werkzeug 2, sowie ggf. auch der einer elektrischen Isolierung über- nehmen kann.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel stützt sich das Element 1 einseitig mit einer Stirnseite an der Halterung 4 und an der anderen Stirnseite am Kreissäge- blatt 2 ab, so können wirkende Kräfte und auch Schwingungen detektiert und ausgeübt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Halterung für Werkzeuge zur trennenden und/oder spanenden Bearbeitung, bei der an und/oder in- nerhalb der Halterung (4) mindestens ein sensitives und aktives Element (1) angeordnet oder aufgenommen ist, mit dem Kräfte, Wege und/oder Momente detektiert und auf ein Werkzeug (2) ausgeübt werden.
2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element (e) (1) mit einem multifunktionalen Werkstoff gebildet ist/sind.
3. Halterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der multifunktionale Werk- stoff ein piezoelektrischer, ein ferroelektri- scher Werkstoff, ein magnetostriktives Fluid und/oder ein Formgedächtniswerkstoff ist.
4. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Detek- tion ein zeitlicher Bezug herstellbar ist.
5. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elemente (1) in einem Abstand zueinander angeordnet oder angebracht sind.
6. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Elemente (1) mit unterschiedlicher Achsausrichtung angeordnet sind.
7. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein
Element (1) in berührendem Kontakt zum Werkzeug (2) steht.
8. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element (e) (1) mit einer elektronischen Steuerung verbunden ist.
9. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element (e) (1) mit einer elektronischen Steuerung einer Maschine zur Übertragung von erfassten Messsignalen und/oder für die Ansteuerung des/der Elemente (s) (1) verbunden ist/sind.
10. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (4) für mindestens ein Element (1) ein Widerlager bildet.
11. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch' gekennzeichnet, dass Elemente (1) einen Modul bilden.
12. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die EIe- ment(e) (1) in Form eines Hohlzylinders, als
Kreisring, Kreisscheibe oder in Form eines Kreisringsegmentes ausgebildet ist/sind und auf einer Antriebswelle (3) aufgesetzt ist/sind.
13. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Element (e) (1) in Form eines Kreisscheibensegmentes ausgebildet ist/sind.
14. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (1) aus einem multifunktionalen Werkstoff in eine
Matrix eines anderen Werkstoffs eingebettet sind.
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